水力发电厂的优缺点

什么是水力发电厂

电力是通过水力发电，即水的力量产生的。大约有 16% 的电力来自水力发电，没有任何其他可再生能源能产生如此多的电力，甚至不如核能，因为水力发电可以根据需求产生大量的低碳电力，对于发展安全可靠的电力供应系统至关重要。拥有大坝和供应的水力发电厂被认为是一种适应性强的能源，因为其提供的能源量可以根据不断变化的电力需求进行增加或减少。一旦建成，水力发电设施就不会产生任何直接的废物，并且几乎总是比使用化石燃料的发电设施产生的温室气体少。然而，当大坝建在低地雨林地区，部分森林被淹没时，可能会释放大量的温室气体。

在很长一段时间里，人们一直利用河流和溪流中流水的力量来产生机械能。水力发电是用于发电的最早能源之一，直到 2019 年，水力发电占美国每年生产的所有可再生电力的绝大部分。

2021 年，美国的公用事业规模发电量总计为 6.3%，而公用事业规模的可再生能源发电量总计为 31.5%。随着时间的推移，由于其他能源发电量的增加，水力发电在美国总发电量中所占的比例有所下降。

为了产生水力发电，水被收集或储存在较高的位置，并通过巨大的管道或通道（压力管道）输送到较低的位置；这两个高度之间的差异称为“水头”。落下的水在管道尽头驱动涡轮机旋转。因此，涡轮机为发电机提供动力，发电机将涡轮机的机械能转化为电力。变压器将发电机的交流电压转换为适合长距离输送的更高电压。厂房是容纳涡轮机和发电机的结构，由管道或压力管道供电。

发电方式

1. 传统式

绝大多数水力发电是通过水坝蓄水势能驱动水轮机和发电机来产生的。水通过一条称为“压力管道”的巨大导体从水源输送到涡轮机。从其中提取的电力量由水源与水的流出之间的水量和高差决定。

2. 抽水蓄能

这种方法通过在不同高程的水库之间输送水来满足高峰需求。当电力需求较低时，多余的能量会被用来将水抽入较高的水库，从而产生一种需求侧的响应。当需求增加时，涡轮机将水泵回较低的水库。到 2021 年，抽水蓄能电站将提供全球 190 GW 净能量容量的约 85%，提高了发电系统的日容量因子。抽水蓄能不是一种能源，在账单中显示为负值。

3. 径流式

径流式水力发电设施的储水库容量很小或没有；因此，只有上游的水可用于当时发电，任何多余的水都必须白白流走。来自上游湖泊或现有水库的稳定水源是选择径流式发电站点的关键优势。

4. 潮汐

潮汐能仅在世界上的少数几个地方可行。当电力需求较低时，多余的能量会被用来将水抽入较大的供应量，从而产生一种需求侧的响应。当需求增加时，涡轮机会将水再次驱动到较低的水库。到 2021 年，抽水蓄能电站将提供全球 190 GW 净能量容量的约 85%，提高了发电系统的日容量因子。抽水蓄能不是一种能源，在账单中显示为负值。

最大的水电站

中国、巴西、加拿大、美国和俄罗斯是最大的五个水力发电国。位于中国长江上的三峡大坝是世界上装机容量最大的水力发电设施，长 1.4 英里（2.3 公里），高 607 英尺（185 米）。位于巴西和巴拉圭之间巴拉那河上的伊泰普电站是每年发电量最大的电站。美国最大的水电站位于华盛顿哥伦比亚河上的格兰库利大坝，该州约 66% 的电力依赖水力发电。

水力发电厂的优点

1. 灵活性

水力发电是一种多功能能源，因为发电站可以快速启动以满足不断变化的电力需求。在短短几秒钟内，水轮机就可以启动以响应需求。尽管电池电力启动更快，但其容量与水力发电相比微不足道。大多数水力发电机组可以在大约 10 分钟内启动到满负荷，比核能和几乎所有化石燃料发电都快。当电力过剩时，发电量也可以迅速减少。因此，除了排空防洪库或满足下游需求外，水力发电机的有限容量很少用于发电基本负荷。

2. 最便宜的能源

尽管建造发电厂的初始投资非常巨大且颇具挑战性，但从中期到长期来看，水力发电无疑是最便宜的能源。一旦大坝和发电站建成，涡轮机安装完毕，它们的维护成本就低于初始投资。虽然数字化需要更多的投资，但效率的提高和其他优势（如减少废物）可以减轻创新的成本。

3. 二氧化碳排放减少

低二氧化碳排放的水力发电大坝不需要燃料，发电过程中也不会产生二氧化碳。虽然在工程建设过程中会排放二氧化碳，并且蓄水池每年会释放一些甲烷，但水力发电的生命周期温室气体排放量是最低的之一。水力发电的低臭氧消耗物质影响正在被研究，尤其是在安静的环境中。热带地区由于发电站的蓄水池比温带地区释放更多的甲烷，因此臭氧消耗物质排放的影响更大。像其他非化石燃料能源一样，水力发电不产生二氧化硫、氮氧化物或其他颗粒物。

4. 水能携带巨大的能量

水力发电具有巨大的能量潜力。位于高处的大量水含有大量的重力势能，即使其中一小部分也能提供巨大的能量。至少，世界上最大的一些发电厂都是水力发电厂，其中一个发电站就能满足数百万人的能源需求。

5. 高价值电力

配备储水设施的传统水力发电大坝的主要优势在于它们能够以低成本储存水，以便以后作为高价值的清洁电力调度。2021 年，国际能源署 (IEA) 估计，“所有常规径流式水力发电厂的蓄水池在一次完整循环中总共可以储存 1500 太瓦时 (TWh) 的电能”，这“比抽水蓄能水力发电厂的总容量大很多倍”。在 2020 年代，电池容量预计不会超过抽水蓄能容量。当用作满足需求的峰值容量时，水力发电比基载电力更有价值，也远比风能和太阳能等间歇性能源更有价值。

水力发电设施的经济寿命很长，一些设备在运行 50-100 年后仍能继续运行。由于工厂是自动化的，并且在正常运行期间现场人员很少，因此人工成本通常也很低。

在水坝具有多种用途的地区，建设成本相对较低的水力发电站，可以提供有利的收入来源，以抵消大坝运营的费用。已证实，三峡大坝提供的电力将在满负荷运行 5 到 8 年后收回建设成本。

6. 水力发电站有助于环境

人们对水力发电站对环境的影响非常关注；然而，水力发电也可以有益于环境。例如，水库中有更多的水意味着更壮观的植被，吸引更多的物种，并提高周边地区的人口数量。此外，水力发电站会拦截树木和树枝，保持水道清洁，从而更易于航行。

7. 水力发电对个人客户来说越来越实惠

小型水力发电厂，即小型且用于家庭或超本地消费的发电厂，在本世纪初开始流行。虽然以前开发使用水力发电的家用产品受到限制，但现在这是一个非常吸引人的选择，允许客户生产足够的电力来满足他们的能源需求，同时还将多余的电力输送到电网。

水力发电厂的缺点

1. 对环境的影响

在讨论水力发电厂时，我们不能忽视与人类对自然的影响密不可分的生物学后果。每个水力发电厂，尤其是，都会对自然环境造成独特的改变，无论是改变的河道还是输电线路和道路的修建。

人类和生物成分之间也存在有趣的联系，这会影响河流、湖泊和海洋中的自然生命。在讨论生物标准时，应强调生态系统，特别是水，受到水位、水流速度或食物入口等因素的影响，以及鱼类栖息的可能性。基于其中一些边界，也创建了鱼类栖息地。我们为改变鱼类生态系统所做的一切都可能引起某些鱼类的警惕。

2. 水力发电厂迁移人类居住环境

这项工程使许多事情变得更容易，但同时也影响了我们的幸福感。由于水力发电厂的建设，居住区有时需要搬迁，我们不仅仅是指动物栖息地，也包括人类社区。人们由于这种变化而需要搬迁是很正常的，即使他们一生都住在同一个地方。即使他们的迁徙已经解决，但仍然有一个无法解决的问题：他们的生活方式。许多人认为，通过搬迁，他们遭受了巨大的损失，任何东西都无法弥补。此外，一些城市和城镇无疑因此几乎从地图上消失了。它们只作为水文图上的一个点而存在。

3. 建设条件受限

虽然这是一种经济高效的能源生产方式，但这并不意味着没有任何限制。我们应该记住大坝的建设——因为它通常被视为一个典型的限制因素。特别是，堤坝不能在任何地方施工。因此，确保正在建设水力发电厂的地点能够支持这一点至关重要——同时也要在经济上和环境上可持续。目前大多数相关地点已被充分用于此目的。

4. 大坝建设成本高昂

这是建造水力发电设施最显著的缺点之一。大坝的建设是最昂贵的工程，因为它是一项重大的投资。无论如何，这并不意味着每座大坝的建设都是一项昂贵的工程。

其中一些可能在两到五年内完成，而另一些则需要更长的建设时间。因此，成本也在增加。毋庸置疑，过高的建设周期会增加成本，因此以后应更仔细地考虑这些问题。

5. 淤积和流量不足

当水流时，它可以将比自身重的颗粒带向下游。这会损害大坝和发电厂，特别是那些位于河流上或集水区有严重淤积的地区。淤积会填满水库，降低其防洪能力，并给大坝的上游部分增加额外的平面载荷。最终，一些水源可能会被沉积物填满而变得无用，或在洪水期间溢出并失效。

6. 甲烷泄漏（来自水库）

据发现，在湿地雨林地区，由于部分木材的浸没至关重要，发电厂的蓄水会产生大量的甲烷。这是因为植物碎片在厌氧气候下的覆盖区域分解，产生甲烷，这是一种破坏臭氧的化学物质。

7. 故障风险

由于大型常规拦河水力发电设施储存了大量的水，因此由于施工不当、自然灾害或破坏而导致的故障可能对下游城镇和基础设施造成灾难性的影响。在 1975 年的妮娜飓风期间，中国南方板桥水库在大雨不到 24 小时内倾泻了相当于一年的雨量后溃坝（参见 1975 年板桥水库溃坝）。由此引发的洪水导致 26,000 人死亡，而瘟疫又导致 145,000 人死亡。数百万人陷入贫困。在不适合的地质位置建造大坝可能导致悲剧，例如 1963 年意大利瓦伊昂特大坝的事故，造成 2,000 多人死亡。